Муниципальное казённое общеобразовательное учреждение

 «Средняя общеобразовательная школа-интернат №26 г. Нижнеудинск»

Исследовательский проект

Автор:

                Семенченко Наталия, 7 класс,

МКОУ «Школа-интернат №26 г. Нижнеудинск»        

Руководитель:

Прокушева Наталья Анатольевна,

учитель физики,

МКОУ «Школа-интернат №26 г. Нижнеудинск»

+7 (908) 656-44-32

Нижнеудинск, 2019

Оглавление

Введение        3

1.        Методическая часть проекта        3

2.        Теоретическая часть проекта        4

2.1.        Методы решения задач по физике        4

2.2. Виды задач        4

2.2.1. Вычислительные задачи        5

2.2.2. Качественные задачи        5

2.2.3. Графические задачи        6

2.2.4. Экспериментальные задачи        7

3.        Задачи об изменении уровня  жидкости в сосуде        7

3.1.        Решение по типу «качественная задача»        8

3.2.        Решение по типу «расчётная задача»        8

3.2.1.        Алгоритм решения задачи через сравнение объёмов        8

3.2.2.        Алгоритм решения задачи через сравнение давлений на дно        9

Заключение        10

Источники информации        10

Введение

Всем школьникам, начиная с 7 класса, приходится соприкасаться с удивительным миром физики. Общеизвестно, что труднее всего им даётся  решение задач, т.е. уровень применения  полученных знаний, когда кроме понимания физических законов необходимо проявить ещё и физическую интуицию.

1. Методическая часть проекта

Решение задач на уроках физики – основной элемент учебной работы. Основные типы задач, которые мы решаем на уроках физики: вычислительные, качественные, графические и экспериментальные. При подготовке к ВПР по физике я обратила внимание, что задачи требуют грамотного оформления. Многие обучающиеся нашего класса испытывают затруднения при решении задач по физике. На уроках физики я узнала, что есть такие задачи, которые графически решаются даже проще, чем аналитически. Поэтому я решила выяснить, каким образом легче решать задачи по физике.

Актуальность проекта: умение применять   знания в нестандартных условиях поверяются на ГИА в 9х и 11х классах.

Гипотеза: существуют разные способы решения одной и той же задачи.

Объект исследования:  физические задачи.

Предмет исследования:  задачи по теме «Сила Архимеда».

Цель проекта: подбор задач по теме «Сила Архимеда» и разбор их решения.

Задачи: 

• Найти, обобщить теоретический материал о типах задач по физике и способах их решения.
• Сделать подборку разных видов задач по теме «Сила Архимеда», объяснить их решение, показать правильное оформление.
• Изучить 2 способа решения задач об изменении уровня  жидкости в сосуде, сформулировать алгоритмы решения по каждому способу.

Конечный продукт: памятка по оформлению задач по физике.

Методы исследования: теоретический (работа с литературой, интернет - ресурсами) и эмпирический (опыт), анализ, систематизация и обобщение материала, выводы.

Тип проекта: исследовательский.

Область применения результата проекта: учебная (уроки физики).

2. Теоретическая часть проекта

«Свои способности человек может узнать,

только попытавшись применить их на деле»

Сенека

1. Методы решения задач по физике

В теории обучения физике выделяют такие методы решения задач, как аналитический, синтетический, аналитико-синтетический. Аналитический метод решения предполагает определение соотношения между требованием и условием задачи путём построения решения от заданных условием величин.

Синтетический метод решения физических задач характеризуется тем, что процесс решения задачи начинается с выделения требования задачи, а затем определяется его соотношение с условием задачи.

Аналитико-синтетический метод решения задач складывается из совместного использования и аналитического, и синтетического методов решения.

2.2. Виды задач

Задачи по физике делятся на 4 типа: вычислительные, качественные, графические и экспериментальные. Под вычислительными понимают задачи, в которых результат решения получают с помощью вычислений и математических операций.

Качественной задачей по физике называется такая задача, в которой ставится для разрешения проблема, связанная с качественной стороной физического явления, решаемая путем логических умозаключений, основанных на законах физики, путем построения чертежа, выполнения эксперимента, но без применения математических действий.

В графических задачах объектом исследования являются графики зависимости физических величин. Графики могут быть даны в условии задачи или их надо построить в процессе решения задачи.

К экспериментальным задачам относятся те, которые не могут быть решены без постановки опытов или измерений.

2.2.1. Вычислительные задачи

Рассмотрим пример решения физической задачи алгебраическим способом, используя готовые формулы. Это наиболее простой случай применения алгебраического способа – решение задач по готовым формулам.

Задача 1. Тело объемом 2 м3 погружено в воду. Найдите архимедову силу, действующую на тело.

     Дано:                                Решение:

Vтела = 2 м3                   Fа = g*mж = g*ρж*Vпогр части тела

g = 10 Н/кг 

ρв = 1000 кг/м3             Fа = 10 Н/кг *1000 кг/м3  *  2 м3= 20000Н= 20кН                                                          

       Fа -?                   Ответ: на тело в воде действует архимедова сила 20кН.

2.2.2. Качественные задачи

Качественные физические задачи имеют особую роль в обучении физике: с одной стороны, они позволяют понять, насколько человек понимает суть физических процессов, ведь при их решении нет необходимости (или почти нет) пользоваться сложными математическими расчётами. С другой стороны, решение таких задач требует точности формулировок, обязательного указания на основные физические процессы и описывающие их закономерности. Рассмотрим пример качественной задачи.

Задача 2.    Сплошной шарик из парафина сначала поместили в сосуд с машинным маслом, а затем - в сосуд с водой. При этом в сосуде с водой сила Архимеда, действующая на шарик,

     1) не изменилась, а объём погружённой в жидкость части шарика уменьшился

2) не изменилась, а объём погружённой в жидкость части шарика увеличился

3) увеличилась, а объём погружённой в жидкость части шарика уменьшился

4) уменьшилась, а объём погружённой в жидкость части шарика увеличился

 Примечание: в справочных таблицах плотности парафина и машинного масла равны 900 кг/м3, плотность воды — 1000 кг/м3.

Решение:

Плотность парафина равна плотности машинного масла и меньше плотности воды. Следовательно, шарик будет полностью погружён в масле и будет плавать на поверхности воды. Сила Архимеда в обоих случаях одинакова и равна силе тяжести, действующей на шарик. Объём погруженной части шарика при перемещении в сосуд с водой уменьшится. Правильный ответ указан под номером 1.

2.2.3. Графические задачи

К графическим задачам относятся те, условие которых формулируется с помощью графика, чертежа, рисунка, схемы, фотографии и т. д. Синтез результатов анализа чертежа и соответствующего физического закона дает ответ на вопрос задачи. Достоинством этого метода является наглядность и четкость решения.

В графических задачах объектом исследования являются графики зависимости физических величин. Графики могут быть даны в условии задачи или их надо построить в процессе решения задачи. Чтобы успешно решать графические задачи, их нужно уметь «читать», видеть характер зависимости между величинами. Пример графической задачи.

Задача 3. Тело плавает в жидкости. На каком из приведённых ниже графиков правильно показана зависимость объёма Vпогр погружённой в жидкость части тела от плотности ρт тела?

Решение:

На плавающее в жидкости тело действует сила Архимеда, пропорциональная плотности жидкости и объёму погружённой части тела. Эта сила уравновешена силой тяжести, действующей на тело, которая пропорциональна массе тела, а значит, плотности тела и его объёму: Fарх= Fтяж,  ρж*Vпогр*g = ρт*Vт*g.

Поэтому зависимость объёма погружённой части тела от плотности тела имеет вид: Vпогр части тела = const*ρтела  (для плавающего тела с выбранным объёмом в конкретной жидкости).  Правильный ответ указан под номером 1.

2.2.4. Экспериментальные задачи

Экспериментальные задачи по роли эксперимента в решении можно разделить на несколько видов:

1. Задачи, в которых без эксперимента нельзя получить ответ на вопрос.
2. Эксперимент используется для создания проблемной ситуации.
3. Эксперимент используется для иллюстрации явления, о котором идет речь в задаче.
4. Эксперимент используется для проверки правильности решения.

Рассмотрим пример решения экспериментальной задачи, в которой эксперимент используется для проверки правильности решения.

 Задача 4.  Сосуд с водой установлен на столике динамометра, который показывает силу F=6 Н. Какими станут показания динамометра, если алюминиевый груз объемом V=14 см3 опустить в воду сначала так, чтобы он не касался дна, а затем так, чтобы он лёг на дно сосуда при опущенной нитке?

Решение:

       Дано:            При опускании груза на дно стакана весы динамометра покажут 

V=14 см3=            действие на него двух сил: веса воды и веса груза. F1= F+Fгр=               

=14∙10-6  м3                   = F+ρал*Vгр*g;  F1= 6Н+2700 кг/м3*14∙10-6 м3 * 10Н/кг = 6,378Н                     

ρв = 1000кг/м3    При опускании груза, не допуская соприкосновения с дном,

ρал = 2700 кг/м3  на него будет действовать выталкивающая сила, и показания

F = 6 H                динамометра вычислим по формуле: F2= F+Fарх= F+ρв*Vгр*g               

g = 10 Н/кг                     F1= 6Н+1000 кг/м3*14∙10-6 м3 * 10Н/кг = 6,14Н                     

   F1-?   F2-?                                          Ответ: F1= 6,38Н;          F2= 6,14Н.                               

3. Задачи об изменении уровня  жидкости в сосуде

В ряде задач повышенной трудности спрашивается, изменится ли (и если изменится, то как) уровень воды в сосуде, когда плавающее в нём тело распадается на части или тает. Некоторые из результирующих тел могут оставаться на плаву, а некоторые тонут. Например, в качестве исходного тела часто рассматривается льдинка (без полости, с полостью, с вмороженным шариком - деревянным или стальным), плавающая в бассейне лодка, из которой выливают воду, выбрасывают бревно или камень.

2. Решение по типу «качественная задача»

При исследовании задачи об изменении уровня  жидкости в сосуде учтём следующее:

• если тело плавает, то сила Архимеда равна по модулю действующей на это тело силе тяжести. А поскольку вес покоящегося тела равен действующей на него силе тяжести, то вес вытесненной плавающим телом воды равен весу этого тела.
• если тело утонуло, то это означает, что сила Архимеда, действующая на полностью погружённое тело, меньше действующей на это тело же силы тяжести. Отсюда следует, что вес вытесненной телом воды меньше веса этого тела.

Заметим теперь, что в результате распада или превращения начального тела возможны два варианта: а) все образовавшиеся тела остались на плаву, б) какое-то из них утонуло. Рассмотрим эти варианты.

а) Все тела остались на плаву (в том числе и образовавшаяся вода, как в случае тающей льдинки), значит вес вытесненной всеми образовавшимися телами воды по-прежнему равен их суммарному весу. А он равен весу начального тела. Следовательно, в этом случае вес, а значит, и объём вытесненной воды не изменился. А это означает, что уровень воды в сосуде не изменился.

Именно так происходит в случаях, когда тает льдинка, в том числе с полостью или вмороженным деревянным шариком, когда из лодки выбрасывают бревно или выливают воду.

б) Пусть теперь одно из образовавшихся тел утонуло. Вес вытесненной утонувшим телом воды меньше веса этого тела. Это значит, что суммарный вес воды, вытесненной всеми образовавшимися телами, стал меньше их суммарного веса, равного и в этом случае весу начального тела. А поскольку для начального (плавающего!) тела вес вытесненной им воды был равен его весу, получается, что в результате распада (превращения) вес вытесненной воды уменьшился. Следовательно, уменьшился и объём вытесненной воды, т. е. уровень воды в сосуде понизился.

Так происходит в случаях, когда тает льдинка с вмороженным стальным шариком или когда из лодки выбрасывают камень.

3. Решение по типу «расчётная задача»

Существует два способа решения задачи об изменении уровня  жидкости в сосуде: через объёмы и через давление на дно. Рассмотрим их на примере.

 Задача 5: В цилиндрическом сосуде с водой плавает кусок льда. Изменится ли уровень воды в сосуде, если лёд растает?

1. Алгоритм решения задачи через сравнение объёмов

1. Записать условие плавания тела: Fт =Fа  (1)

2. Воспользоваться законом Архимеда: Fа= ρжgVв.ж (2)

3. Используя уравнения (1) и (2) и расписав Fт. выразить объём вытеснённой жидкости Vв.ж.  
4. Рассчитать на сколько изменится уровень воды в сосуде по сравнению с изначальным (до погружения тела в воду) после таяния льда (или других действий): ΔV.
5. Сравнить Vв.ж.  с ΔV и сформулировать ответ.

Решение:

1. Запишем условие плавания для кусочка льда:  Fа = Fт.            

2.  Воспользуемся законом Архимеда:  ρжgVв.ж = mлg, где mл – масса льда, Vв.ж  – объём вытесненной жидкости.

 3.  Откуда  Vв.ж = mл/ρж.

 4. После таяния льда объём воды в сосуде увеличился на ΔV= mл/ρж. (очевидно, что масса талой воды равна массе льда.)

5. Откуда следует, что Vв.ж. = ΔV, т.е. h1 = h2 .

Ответ: Уровень воды в сосуде не изменится.

2. Алгоритм решения задачи через сравнение давлений на дно

1. Содержимое сосуда не изменилось, поэтому не изменилась  и сила давления на дно сосуда: Fд1 =Fд2   (1)

2. Выразить Fд1 и Fд2, воспользовавшись определительной формулой давления p= Fд/S и формулой гидростатического давления p=ρgh: Fд1=..., Fд2=…   (2)

3. Из уравнений (1) и (2)  выразить высоты h1 и h2 и сравнить.

Решение:

С одной стороны, силу давления на дно в 1-ом и во 2-ом случаях можно   выразить следующим образом:   Fд1 = (mл+М)g,  Fд2 = (mв+М)g,    где mл – масса  льда,     M – первоначальная масса   воды в стакане безо льда,  mв – масса воды,              

образовавшейся после таяния льда. Т.к.  mл = mв , то     Fд1 = Fд2.

2. С другой стороны:  Fд1 = p1S = ρgh1S, Fд2 = p2S = ρgh2S.

3. Т.к.  Fд1 = Fд2 ,  то h1= h2. Ответ: Уровень воды в сосуде не изменится.

Заключение

Выдвинутая мною гипотеза о том, что существуют разные способы решения одной и той же задачи подтвердилась. Поставленные задачи решены. Работа над проектом помогла мне лучше разобраться в теме «Сила Архимеда», я научилась смотреть вглубь вопроса, объяснить  решение непростых задач, уверена, в дальнейшем мне это поможет как при решении задач по физике, так и в понимании законов природы в целом. Идея научного поиска мне понравилась, в дальнейшем планирую рассмотреть другие темы по физике.

Источники информации

1. Гельгафт И.М., Генденштейн Л.Э., Кирик Л.А. 1001 задача по физике   с решениями. Учебное пособие. – Харьков-Москва, 1995. – 592 с.
2. Городские олимпиады по физике г. Нижнего Новгорода. 2004-2008 гг. Сборник задач. – Н.Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2009. –52с.
3. Подлесный Д.В. Анализ давления на дно сосуда в задачах гидростатики. // Потенциал, №10, 2005. – С.42-45
4. Черноуцан А. Гидростатика в стакане. // Квант, №3, 2008. – С.47-50.
5. Чивилёв В.И. Олимпиада «Физтех-2005». // Потенциал, №5, 2005. – С.59-61

 Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-сайт «Класс!ная физика для любознательных» (Источник) 

2. Интернет-сайт files.school-collection.edu.ru (Источник)